2014년 KAIST를 빛낸 연구성과를 소개합니다.

[EEWS 대학원] 세계 최초로 계층적 다공성을 띠는 촉매를 합성해 인공 광합성 효율 높여

▲ 다양한 크기의 기공을 갖고 있는 촉매를 합성해 인공 광합성 효율을 높였다 /박정영 교수 제공

우리 학교 EEWS 대학원 박정영 교수와 KIST 김상훈 박사 공동 연구팀이 이산화티타늄의 나노 구조화 및 질소 도핑을 통해 인공 광합성의 효율을 증대하는 원리를 발견했다. 이번 연구는 <어드밴스드 머터리얼즈 인터페이스 (Advanced Materials Interfaces)> 창간호의 메인 표지 논문으로 선정되었다.

대체 에너지에 대한 연구가 활발하게 이뤄지고 있는 오늘날, 인공 광합성 연구는 태양 에너지를 이용해 물 분해 과정에서 수소를 얻어낼 수 있다는 점에서 큰 주목을 받고 있다. 이번 연구는 물 분해 반응에 쓰이는 촉매를 개선해 수소의 수득률을 높였다.

물 분해 과정에서 반도체 촉매가 빛을 받으면 물을 수소와 산소로 분해하게 되는데, 이때 촉매의 전자가 광자를 흡수해 높은 에너지 상태로 전이되며 수소를 생성한다. 촉매로는 빛에서 비교적 안정하면서도 환경친화적이고, 가격도 비싸지 않아 대표적인 광촉매 물질로 연구되고 있는 이산화티타늄이 쓰였다.

연구팀은 이산화티타늄을 층이 정렬된 구조로 제작했다. 또, 스스로 모양을 만드는 자기형성 방법을 이용해 매크로 기공, 메조 기공, 마이크로 기공을 모두 갖고 있는 이산화티타늄을 합성했다. 이렇게 층이 정렬되고 다른 크기의 기공이 있는 물질을 계층적 다공성을 띤다고 한다.

반도체에 소량의 다른 물질을 첨가해 특성을 바꾸는 것을 도핑이라고 하는데, 연구팀은 이산화티타늄에 질소를 도핑했다. 질소 도핑으로 이산화티타늄의 전기적 특성을 바꾸면 이산화티타늄의 밴드 갭 에너지가 감소하게 되는데, 이는 이산화티타늄의 전자가 높은 에너지 상태로 전이하기 쉬워졌다는 것을 뜻한다. 즉, 이산화티타늄 촉매의 인공 광합성 효율을 개선했다고 할 수 있다. 개선된 이산화티타늄은 계층성을 지니지 않은 것에 비해 2배, 질소를 첨가하지 않은 것에 비해 30% 정도 효율이 향상했다.